天津兰力科：直接甲醇燃料电池(DMFC)阳极催化材料的研究

利用不除氧电位溶出分析法成功地测定了溶出电位相近的铅、锡两元素。以0. 05mol·L - 1草酸为介质,调节溶液pH 1. 0 ,以溶解氧作氧化剂,静止溶出,两元素均有分离清晰的平台出现。铅、锡的线性范围分别为2. 0 ×10 - 9～2. 0 ×10 - 7mol·L - 1和2. 0 ×10 - 8～2. 0 ×10 - 6mol·L - 1 。 当富集时间为4min 时,铅、锡的检出限分别为5. 0 ×10 - 10mol·L - 1和5. 0 ×10 - 9mol·L - 1 。此法已成功地应用于测定罐头食品中痕量铅和锡。

能源的短缺和人类对能源的不合理运用，给人类自身的生存条件和自然环境造成了极大的破坏。燃料电池作为一种不经过燃烧直接以电化学方式将燃料的化学能转化为电能的发电装置，有望成为21世纪首选的洁净、高效的发电技术。直接甲醇燃料电池（DirectMethanol Fuel Cell）是燃料电池的一个重要的分支，以甲醇为燃料，具有无污染、能量转化率高、储存和运输方便等优点，有望在便携式电源、电动机车和野外电站等方面得到应用，但是目前阻碍DMFC发展的主要问题是甲醇氧化的电极材料活性不高且对甲醇吸附能力较好的铂的价格昂贵，本文的主要目的是制备出高催化活性且成本较低的甲醇电催化氧化的阳极催化剂。本论文采用了电化学方法，如循环伏安法，常规脉冲伏安法及X射线粉末衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、X射线能量色散谱（EDS）表征等技术手段研究了铂基功能性系列阳极阵列催化剂的制备方法及对甲醇电催化氧化性能，并讨论了甲醇在催化剂上的催化氧化机理。所制备出来的普通铂基合金修饰玻碳电极、铂基多元纳米线阵列电极、铂基多元空心球和Nafion试剂修饰的玻碳电极对甲醇的电催化氧化性能有了很大的提高，且所用的电极材料（贵金属）相比普通铂电极成本明显降低，得到的实验结果对 甲醇燃料电池的商业化有一定的指导意义。 本论文综述了燃料电池的发展历史及其分类，重点介绍了直接甲醇燃料电池的工作原理及研究进展和应用前景，尤其是直接甲醇燃料电池的阳极催化剂研究进展以及对纳米电催化材料在甲醇燃料电池阳极催化剂中的应用前景进行了详细说明，由此得出本文的选题 依据，主要研究内容和结论如下：

电池行业的发展对电池检测技术提出了更高的要求，迫切需要高效智能 的检测设备。本课题目的是设计一种满足功能和精度要求的综合电化学工作 站。综合电化学工作站在电池检测中占有重要地位，它将恒电位仪、恒电流 仪和电化学交流阻抗分析仪有机地结合，既可以做三种基本功能的常规试 验，也可以做基于这三种基本功能的程式化试验。在试验中，既能检测电池 电压、电流、容量等基本参数，又能检测体现电池反应机理的交流阻抗参 数，从而完成对多种状态下电池参数的跟踪和分析。本文从结构设计的角度，对综合电化学工作站进行了研究。根据恒电位测量、恒电流测量、交流阻抗测量三种功能的工作原理和相应的性能指标，提出以DSP处理器为控制核心的硬件结构体系。在该设计方案下，进行了大量的硬件设计调试工作和软件设计调试工作。本文的内容包括以下三点： (1)电化学工作站的系统分析。详细分析了电化学工作站三种基本功能 的工作原理和性能指标，确定了电化学工作站的硬件系统结构—以DSP处 理器为整个系统的控制核心，实现对六个通道的电池测量和控制，以及将数 据送往PC机进行储存和处理。 (2)系统硬件设计。硬件设计主要集中在DSP电路板、接口电路板、 测量控制电路板的设计上。DSP电路负责发出控制信号和处理测量信号； 测量电路直接与被测对象相连接，实现具体测量、控制；接口电路是DSP 电路板与测量控制电路板之间的桥梁。从电路结构、芯片选型到最后布局， 将各个功能电路进行细化，分步骤设计。 (3)系统软件设计。结合系统工作特点和硬件结构，确定了软件总体架 构。重点研究了过采样滤波软件算法和快速傅立叶变换（FFT）测算交流阻 抗软件算法。

随着电池行业的迅猛发展，人们对电池检测技术提出了更高的要求，迫 切需要一种高效，能测量体现电池反应过程参数的检测设备。本课题目的在 于研发一种综合电化学工作站满足上述需求。 综合电化学工作站是一套完整的、数字化的、电化学体系的检测分析设 备。它把恒电位仪，恒电流仪和电化学交流阻抗分析仪有机地结合到一起， 既可以做常规的基本测试如动电位扫描、动电流扫描试验和电化学交流阻抗 测量，也可以做基于这三种基本试验的程式化试验，如恒电流充电-电化学 交流阻抗测量，电池寿命循环试验-电化学交流阻抗测量试验，从而完成多 种状态下电化学体系的参数跟踪和分析。它可以快捷、精确的检测电池的容 量、测量体现电池反应机理的交流阻抗参数。 本文以交流阻抗谱为理论依据，在既定电位范围、精度、分辨率和响应 速度等性能指标的要求下构建出上下位机多层次硬件体系结构，有针对性地 设计了下位机的接口电路板和测量电路板，并在此设计方案下进行了大量的 硬件功能调试，达到了预期的性能指标。本文的主要内容可概括为以下三点： (1)电化学工作站的功能原理研究与硬件系统设计。介绍了电化学工作 站的三种基本功能和性能指标，电化学交流阻抗测量的原理，并进而提出了 电化学工作站的硬件系统结构，构建了电化学工作站的硬件结构设计； (2)下位机的接口电路板和测量电路板设计，在设计中力图提高系统精 度、灵活性。实现对电池电压和电流的测量和控制功能，使工作站测量和控 制功能达到了功能多样化精确化，为电化学交流阻抗测量等功能实现打下基 础； (3)实验及误差分析。对电化学工作站的硬件测量和控制功能进行了实 验验证，分析了误差产生得原因，对固有误差进行了补偿，对不同幅值直流 信号和不同幅值、频率的交流信号进行测量，达到了精确测量的性能指标。